用于光学距离测量系统的窄带跨阻抗放大器和信令技术方案

一种光学距离测量系统(100)包含发射电路(170)和接收电路(180)。所述发射电路(170)产生第一频带上的窄带强度经调制光发射信号(152)，且朝向目标对象(116)引导所述窄带光发射信号(152)。所述接收电路(180)接收从所述目标对象(116)反射的光(154)，将所述反射光(154)转换为与所述反射光(154)的强度成比例的电流信号(156)，从所述电流信号(156)滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，且将所述经滤波电流信号转换为电压信号。所述第二频带与所述第一频带对应。

Narrowband trans impedance amplifier and signaling for optical distance measurement system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光学距离测量系统的窄带跨阻抗放大器和信令
技术介绍
光检测与测距(LiDAR)是通过从目标反射激光脉冲序列(单个窄脉冲或经调制窄脉冲序列)且分析反射光来测量与目标对象的距离的系统。更具体地，LiDAR系统通常直接地或者通过分析反射光信号与透射光信号之间的相移来确定激光脉冲从激光器行进到目标对象并返回的飞行时间(TOF)。随后可基于TOF确定到目标对象的距离。这些系统可用于许多应用中，例如：地形、地质、地形学、地震学、运输及远程感测。举例来说，在交通中，汽车可包含LiDAR系统以监视车辆与其它对象(例如，另一车辆)之间的距离。并且，举例来说，车辆可以使用由LiDAR系统确定的距离以确定例如另一车辆等其它对象是否太靠近，且自动地施加制动。
技术实现思路
在至少一个实例中，一种光学距离测量系统包含发射电路和接收电路。发射电路经配置以产生第一频带上的窄带光发射信号且朝向目标对象引导窄带光发射信号。接收电路经配置以接收从目标对象反射的光，将反射光转换为与反射光的强度成比例的电流信号，从电流信号滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，且将经滤波电流信号转换为电压信号。所述第二频带与所述第一频带对应。另一说明性实例是一种光学距离测量接收器，其包含光电二极管、带通网络和跨阻抗放大器(TIA)。光电二极管经配置以在第一频带上接收从目标对象反射的光。光电二极管还经配置以将反射光转换为与反射光的强度成比例的第一电流信号。带通网络经配置以从光电二极管接收第一电流信号，且从第一电流信号滤除第二频带之外的频率以产生第一经滤波电流信号。所述第二频带与所述第一频带对应。所述TIA经配置以从所述带通网络接收所述第一经滤波电流信号且将所述第一经滤波电流信号转换为与所述第一经滤波电流信号对应的第一电压信号。又一说明性实例是一种用于确定到目标对象的距离的方法。所述方法包含在第一频带上接收从目标对象反射的光。所述方法还包含将反射光转换为与反射光的强度成比例的电流信号。所述方法还包含从电流信号滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，所述第二频带与所述第一频带对应。所述方法还包含将经滤波电流信号转换为电压信号。所述方法还包含基于电压信号确定到目标对象的距离。附图说明图1示出根据各种实例的说明性光学距离测量系统。图2示出根据各种实例的说明性光学距离测量接收器。图3示出根据各种实例的说明性光学距离测量接收器。图4示出根据各种实例的光学距离测量接收器响应的振幅对频率的说明性图表。图5示出根据各种实例的用于确定到目标对象的距离的方法的说明性流程图。具体实施方式在本说明书中术语“耦合”意味着间接或直接连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么该连接可能通过直接连接，或通过经过其它装置和连接的间接连接。此外，在此描述中，“基于”的叙述意指“至少部分地基于”。因此，如果X是基于Y，那么X可基于Y和任何数目个其它因数。例如LiDAR系统等光学距离测量系统可以使用到目标对象的光学信号(即，光信号)和其从目标对象反射回到LiDAR系统(返回信号)的飞行时间(TOF)来确定到各种目标对象的距离。这些系统可使用在许多应用中，包含：地形、地质、地形学、地震学、运输和远程感测。举例来说，在交通中，汽车可包含LiDAR系统以监视车辆与其它对象(例如，另一车辆)之间的距离。举例来说，车辆可以使用由LiDAR系统确定的距离以确定例如另一车辆等其它对象是否太靠近，且自动地施加制动。常规LiDAR系统包含用于朝向目标对象发射光信号的发射器和用于接收返回信号的接收器。常规LiDAR接收器包含光电二极管(即，检测器)以接收返回信号且将返回信号中的光转换为电流。TIA随后将电流转换为电压，电压可由处理器分析以确定TOF和最终确定到目标对象的距离。为了实现宽光学视场(FoV)LiDAR系统，使用大面积光电二极管接收返回信号中的反射光。此类大面积光电二极管固有地具有高电容。光电二极管的高电容对LiDAR系统的性能具有两个不利影响：(a)限制带宽，和(b)放大TIA的电压噪声。测距性能(即，测距确定的准确性)由两个参数决定：(a)发射/接收波形的斜率，和(b)所接收信号中的噪声。举例来说，其中σt是定时标准偏差，σn是噪声的标准偏差，斜率是接收波形的斜率，且N边缘是发射/接收波形中用于定时估计的边缘的数目。斜率和噪声都受到大面积光电二极管的高电容的不利影响，从而导致测距性能降级。因此，实例实施例包含通过增加发射/接收波形的斜率和/或减少所接收信号中的噪声而提供增加的测距性能的LiDAR系统。根据各种实例，提供一种光学距离测量系统，其中接收器包含经调谐到高频的窄带通网络。在一些实施例中，此带通网络位于TIA的输入处。所述带通网络经优化以在频带中具有最大信噪比(SNR)。使用噪声整形技术以使得将噪声移动到带外，且因此从所接收信号移除。在一些实施例中，为了完全使用此窄带接收器，在经调谐频率下将透射光信号调制为窄带。此设计实现发射/接收波形的高斜率以及低噪声，从而提供高精度测距性能。图1示出根据各种实例的说明性光学距离测量系统100。在一些实施例中，光学距离测量系统100是LiDAR系统。如实例图1中所示的光学距离测量系统100包含发射器170、接收器180、光学器件108a和108b，以及目标对象116。发射器包含调制信号产生器102、发射驱动器104和激光二极管106。调制信号产生器102经配置以在第一频带中产生经调制窄带载波信号。因此，调制信号产生器102经配置以产生经调制载波信号。调制信号产生器102经配置以提供载波信号的相位、频率、振幅和/或位置调制。举例来说，调制信号产生器102在一实施例中经配置以产生单频调信号。在一些实施例中，调制信号产生器102经配置以产生单频调(即，连续波)、具有相位调制的单频调(例如，相移键控)、具有振幅调制的单频调(例如，幅移键控)、具有固定频率的多频调(例如，频移键控)、具有窄带频率范围上的频率调制的信号(例如，线性调频脉冲)，和/或具有窄带脉冲位置调制的信号。发射驱动器104经配置以驱动(调节电流)激光二极管106，以使得激光二极管106产生与由调制信号产生器102产生的经调制窄带载波信号对应的光学发射信号152(窄带光发射信号)。在一些实施例中，因为由调制信号产生器102产生的信号是经调制窄带载波信号，所以发射驱动器104针对通过激光二极管106的电流的窄带调制而优化。因此，激光二极管106在第一频带上产生窄带光发射信号。因此，举例来说，如果经调制载波信号是单频调信号，那么产生的窄带光发射信号的功率谱密度(PSD)将在所需操作频率(例如，100MHz)处处于峰值。为了增加系统中的带宽，如上文所描述，调制信号产生器102可产生多频调信号。因此，在所需操作频率周围，信号的频率以离散间隔改变，这使其中所产生窄带光发射信号的PSD处于其峰值的频带变宽。虽然图1中示出激光二极管106，但可使用任何类型的光学信号产生器(例如，发光二极管(LED))产生光学发射信号。...

【技术保护点】
1.一种光学距离测量系统，其包括：/n发射电路，其经配置以产生第一频带上的窄带光发射信号且朝向目标对象引导所述窄带光发射信号；以及/n接收器电路，其经配置以：接收从所述目标对象反射的光；将所述反射光转换为与所述反射光的强度成比例的电流信号；从所述电流信号滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，所述第二频带与所述第一频带对应；以及将所述经滤波电流信号转换为电压信号。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170605 US 15/613,8351.一种光学距离测量系统，其包括：
发射电路，其经配置以产生第一频带上的窄带光发射信号且朝向目标对象引导所述窄带光发射信号；以及
接收器电路，其经配置以：接收从所述目标对象反射的光；将所述反射光转换为与所述反射光的强度成比例的电流信号；从所述电流信号滤除第二频带之外的频率以产生经滤波电流信号，所述第二频带与所述第一频带对应；以及将所述经滤波电流信号转换为电压信号。


2.根据权利要求1所述的系统，其中所述发射电路包含：调制信号产生器，其经配置以产生所述第一频带中的经调制窄带载波信号；以及发射驱动器，其耦合到激光二极管电路，所述发射驱动器经优化以用于通过所述激光二极管电路的电流的窄带调制。


3.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是单频调信号。


4.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是具有相位调制的单频调信号。


5.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是具有振幅调制的单频调信号。


6.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是具有固定频率的多频调信号。


7.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是在窄带频率范围上具有频率调制的信号。


8.根据权利要求2所述的系统，其中所述经调制窄带载波信号是在窄频率范围上具有脉冲位置调制的信号。


9.根据权利要求2所述的系统，其中所述接收电路进一步经配置以基于所述经调制窄带载波信号与所述电压信号之间的估计相移而确定从所述系统到所述目标对象的距离。


10.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收电路进一步经配置以基于所述窄带光发射信号的直接飞行时间而确定从所述系统到所述目标对象的距离。


11.一种光学距离测量接收器，其包括：
光电二极管，其具有基本电容，光电检测器经配置以在第一频带上接收从目标对象反射的光且将所述反射光转换为与所述反射光的强度成比例的第一电流信号；
带通网络，其经配置以从所述光电二极管接收所述第一电流信号且从所述第一电流信号滤除第二频带之外的频率以产生第一经滤波电流信号，所述第二频带与所述第一频带对应；以及
跨阻抗放大器TIA，其经配置以从所述带通网络接收所述第一经滤波电流信号且将所述第一经滤波电流信号转换为与所述第一经滤波电流信号对应的第一电压信号。


12.根据权利要求11所述的光学距离测量接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴赫尔·S·哈龙，尼马尔·C·瓦尔克，大卫·P·马吉，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US